ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 2, с. 199-205
УДК 551.510.534:550.388.8
РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ХИМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ОЗОНА В СТРАТОСФЕРЕ НАД КОЛЬСКИМ ПОЛУОСТРОВОМ ЗИМОЙ 2002/2003 гг. ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2008 г. В. Г. Рыскин, Ю. Ю. Куликов
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: rys@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 13.03.2006 г., после доработки 13.11.2006 г.
По результатам длительных наблюдений эволюции озона в стратосфере Кольского полуострова зимой 2002/2003 гг. сделаны оценки скоростей химического разрушения озона и его аккумулированных потерь на изоэнтропических уровнях 530 К (высота около 22 км) и 465 К (высота около 19 км) с учетом неадиабатического опускания воздушных масс. Величины рассчитанных скоростей на этих высотах составили -18.6 ± 3.3 млрд-1/сут и -14.3 ± 2.9 млрд-1/сут, а суммарные потери озона, обусловленные его химическим разрушением, за период с 1 декабря 2002 г. по 5 марта 2003 г. достигли 1.77 ± 0.33 млн-1 и 1.36 ± 0.29 млн-1 соответственно. На нижнем высотном уровне эти данные удовлетворительно (в пределах погрешности измерений) согласуются с другими измерениями, которые проводились в это время. На уровне потенциальной температуры порядка 530 К потери озона в сезоне 2002/2003 гг., оцененные по нашим данным и по результатам аналогичных микроволновых измерений, которые были выполнены в Кируне (Швеция), практически совпадают и свидетельствуют о росте накопленных потерь с высотой. Эти выводы расходятся с результатами, полученными с помощью Match-техники и методики усреднения по вихрю, которые указывают на уменьшение потерь озона с высотой. Однако учитывая, что полярные стратосферные облака систематически обнаруживались в декабре и начале января на уровнях вплоть до 600 К и выше, можно полагать, что потери озона на этих высотах могут быть сравнимы с величинами, обнаруженными на изоэнтропических уровнях 465-475 К.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивные наблюдения, проводимые в последнее десятилетие, свидетельствуют о ежегодном снижении озона в полярной стратосфере Северного полушария в течение зимы-начала весны. Принято считать [1, 2], что помимо динамических процессов этот наблюдаемый факт обусловлен также химическим разрушением молекул озона внутри полярного стратосферного вихря, где в это время формируется область очень низких температур. Чередование относительно теплых и холодных зим приводит к тому, что в разные годы наблюдается разная степень обеднения озонового слоя. Наибольшие накопленные потери озона в стратосфере Арктики за зимне-весенний период, достигавшие 60-70%, отмечались в довольно холодные сезоны 1995/1996 и 1999/2000 гг. [2]. Величина химических потерь озона находится в прямой зависимости от продолжительности существования стабильного полярного циклона, который в течение зимы нередко подвергается динамическим возмущениям, вызывающим стратосферные потепления. Изучение механизмов разрушения стратосферного озона стимулирует проведение в высоких широтах исследований изменчивости озо-
нового слоя земной атмосферы. Начиная с зимы 2000 г., коллектив Института прикладной физики РАН совместно с Полярным геофизическим институтом КНЦ РАН проводит мониторинг озона в стратосфере Кольского полуострова (научный полигон в районе г. Апатиты - 67.6°N 33.3°E) в зимне-весенний период, используя аппаратуру и методику микроволнового зондирования с поверхности Земли [3. 4].
В сезоне 2002/2003 гг. были выполнены два крупных международных проекта SOLVE II и VINTERSOL, которые были направлены на изучение проблемы разрушения озонового слоя в стратосфере высоких широт. Помимо получения экспериментального материала, касающегося непосредственно измерения потерь озона, значительное место в этих проектах было отведено исследованию полярных стратосферных облаков (ПСО), которые в настоящее время считаются основной предпосылкой фотохимического разрушения озона в течение зимы и в начале весны. В работах [5-8] приведены результаты измерений химических потерь озона в нижней стратосфере Арктики, полученные в ходе выполнения упомянутых проектов. В настоящее время в изучении
3 о
Тч о Б
£ м
Ч")
с^
ГЗ
М
ГЗ
М
О со О
Я
а &
н
м
щ
я м
о «
5Е + 12
Апатиты (68°К 33°Е) ;
4Е + 12 -
3Е + 12
2Е + 12 -
1Е + 12
-•-Озон
------Температура
- 230
- 220
210
200
- 190
сЗ
С
и
0 3 а
м
а &
^
т
а &
Щ
п
Щ
Н
Ноябрь Декабрь Январь Февраль 2002-2003
Рис. 1. Вариации содержания озона на высоте 25 км зимой 2002/2003 г. по данным микроволновых наблюдений. Заштрихованные прямоугольники - периоды, когда Апатиты находились вне арктического вихря.
проблемы химического разрушения 03 одним из наиболее надежных является так называемый Ма11сИ-метод, использующий Лагранжев подход [9]. Этот метод оценки скорости потерь озона основан на том, что в течение зимней кампании производится скоординированный запуск большого количества озонозондов в одной и той же воздушной массе вдоль расчетной траектории. Траектории рассчитываются с учетом неадиабатического охлаждения или нагревания. В этом случае химические потери определяются по разнице в содержании озона для каждой пары последовательных измерений вдоль выбранной траектории.
Широкое распространение также получают средства микроволновой радиометрии как наземного [8], так и спутникового базирования [10]. Представляет интерес сделать оценку величины химического разрушения стратосферного озона в зимнем полярном циклоне по результатам микроволнового мониторинга озонового слоя с поверхности Земли. В данной работе приведены оценки химических потерь озона в нижней части полярной стратосферы (изоэнтропические уровни 465 ± ± 20 К и 530 ± 15 К), сделанные на основе результатов микроволновых измерений зимой 2002/2003 гг., которые опубликованы ранее [4]. Для расчета скоростей уменьшения озона за счет его химического разрушения использовалась методика, приведенная в [2], которая позволяет оценивать средние по вихрю потери озона. Описание алгоритма получения высотного распределения озона (ВРО) содержится в [3]. При обработке результатов микроволнового зондирования использованы температурные профили спутникового инструмента АМ8И-А [11]. Из всего массива полученных ранее результа-
тов [4] были отобраны среднесуточные величины содержания озона на различных высотных уровнях, когда район наблюдений (г. Апатиты) находился во внутренней части изолированного арктического циклона. Это обусловлено тем, что потери озона в зимне-весенний период обычно связывают с гетерохимическими процессами на аэрозольных частицах ПСО, которые образуются при достаточно низких температурах внутри зимнего полярного вихря. Границы вихря определялись согласно данным иКМО [12], где приведены карты ежедневного положения полярного циклона на различных высотных уровнях.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Рисунок 1 иллюстрирует характер изменчивости содержания озона в нижней стратосфере Кольского полуострова в зимне-весенний период 2002/2003 гг., взятый из [4]. На рисунке заштрихованные области указывают периоды времени, когда пункт наблюдения оказывался за пределами полярного вихря. Видно, что большую часть наблюдаемого времени Апатиты располагались внутри полярного циклона. В результате в течение декабря и первой половины января температура стратосферы в СевероЗападном регионе Арктики опускалась до очень низких значений (см. рис. 2). В отдельные дни декабря она достигала величин ниже порога образования полярных стратосферных облаков I типа, состоящих из аэрозолей тригидрата азотной кислоты. Используя данные [13], на рисунке пунктиром обозначены величины температуры конденсации для газовой смеси паров воды и азотной кислоты, взятых в объемных количествах 4.5 млн-1 и 10 млрд-1 соот-
ветственно на изоэнтропических уровнях с потенциальными температурами 0 = 530 К и 465 К (высоты около 22 и 19 км). Использование в расчетах в качестве вертикальной координаты потенциальной температуры оправдано в условиях стратосферы, где имеет место устойчивая стратификация, а также позволяет значительно ослабить в наблюдаемых вариациях озона эффекты, обусловленные адиабатическими перемещениями воздушных масс.
Вследствие высокой волновой активности, которая наблюдается зимой, арктический вихрь часто подвергается динамическим возмущениям (см. рис. 1). В таких условиях наблюдаемые вариации озона являются следствием как динамических, так и химических процессов. Поэтому при анализе требуется процедура их разделения, что, вообще говоря, является непростой задачей. В настоящее время для получения количественной оценки химического разрушения озона в зимнем арктическом циклоне разработан ряд методик [5-7]. В нашем анализе использована техника отделения неадиабатического переноса, описанная в [2].
Известно [14], что в условиях изолированного вихря изменение количества газа на изоэнтропиче-ской поверхности, измеренное в некоторой точке, обусловлено лишь химическими взаимодействиями и радиационными процессами. Последние вызывают неадиабатическое охлаждение и связанное с ним опускание воздушных масс или нагревание и соответственно подъем воздуха. Зимой преобладают процессы радиационного охлаждения за счет длинноволнового ИК излучения атмосферы и благодаря положительному вертикальному градиенту ВРО на высотах нижней стратосферы будет наблюдаться увеличение отношения смеси озона X, связанное с неадиабатическим оседанием. Этот неадиабатический перенос будет маскировать результаты химического воздействия на озон. Поэтому при оценке скорости химического разрушения озона на больших временны х масштабах (порядка месяца и более) необходимо учитывать поправки на радиационные эффекты. Таким образом, согласно [14], наблюдаемое изменение во времени объемного отношения смеси озона X на заданном изоэнтропи-ческом уровне внутри вихря будет описываться выражением:
ЭХ\ d t J и
= ®
- д tJ i
дх уд©
d©Jl д t
(1)
где первый член в правой части определяет скорость изменения X в результате химических взаимодействий, а второй - вертикальный перенос за счет неадиабатических эффектов, которые маскируют
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.